(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックアセンブリの操作に関して要求される気体および液体のリークを防ぐために、前記燃料電池スタックアセンブリ中の個々の燃料電池プレート間にシールを与えるガスケットを収容する、溝を持つ複数のプレートを有する燃料電池スタックアセンブリにおいて、
前記燃料電池スタックアセンブリ中の各燃料電池プレートは、円形または楕円形プロファイルを有する溝を含み、前記燃料電池スタックアセンブリ中の各燃料電池プレート間のガスケットは、各燃料電池プレート中の溝のプロファイルに対応するプロファイルを有しており、前記ガスケットは、
（ａ）各分子中に、ケイ原子に結合した２つ以上のアルケニル基を含有する、１００重量部のポリジ有機シロキサン；
（ｂ）５〜５０重量部の強化充填剤；
（ｃ）４０以上の原子量を有する、アルカリ土類金属の酸化物または水酸化物１〜２０重量部；
（ｄ）各分子中に、ケイ原子に結合した３つ以上の水素原子を含有する有機水素シロキサンであって、前記水素原子は、成分（ｄ）中のケイ原子に結合した水素原子と成分（ａ）中のケイ原子に結合したアルケニル基とのモル比が、０．４：１〜５：１の範囲となる量で存在し；および
（ｅ）１，０００，０００重量部の成分（ａ）につき、０．１〜５００重量部の白金族金属を提供する量の白金族金属触媒
を含有する硬化性シール材料であるシール材料により形成される、燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項２】
接着剤が前記溝の表面に適用されるか、または接着剤が前記溝中のガスケットを接着するために、前記シール材料の成分として包含される、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項３】
前記ガスケットが、前記燃料電池スタックアセンブリ中の燃料電池プレート間のシール関係を改善するために、前記ガスケットの表面に沿って延びる少なくとも１つの直立ビードを包含する、請求項１または２に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項４】
前記シール材料が、
（ｆ）成分（ｅ）と共に、または成分（ｅ）の代わりの、０．１〜５．０重量部の有機過酸化物；
（ｇ）０．０１〜５．０重量部の阻害剤；および
（ｈ）０．０１〜１００重量部の非強化増量充填剤
を更に含む、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項５】
成分（ａ）が、ビニル末端メチルトリフルオロプロピルシロキサンまたはビニル末端メチルトリフルオロプロピルシロキサン・ジメチルシロキサン・コポリマー（ここでメチルトリフルオロプロピルのモル％が少なくとも１０モル％である）；およびビニル末端ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン・コポリマー（ここでジフェニルシロキサンのモル％が２〜５０モル％である）から選択される、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項６】
成分（ｅ）が熱可塑性有機ポリマー中に被包される、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項７】
成分（ｅ）が、白金族金属触媒の代わりの有機過酸化物であり、前記有機過酸化物が、前記シール材料１００部につき０．５〜５．０部の量で存在し、前記シール材料は、１００〜２００℃の温度に加熱することにより硬化される、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項８】
前記硬化性シール材料が、
（ｉ）０．１〜２０重量部の接着促進剤
を更に含み、前記接着促進剤はエポキシ含有有機ケイ素化合物であり、前記接着促進剤は前記硬化性シール材料が硬化される前に、前記硬化性シール材料に加えられる、請求項１または４に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、より特には、これらの個々の燃料電池の操作に関して要求される気体および液体のリークを防ぐために、従来の燃料電池もしくは燃料スタックアセンブリの異なる要素間でシールを形成することにおける使用のための、溝のプロファイルの設計に関する。本発明は、新規のシール材料を用いたこのようなシールの形成にも関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のタイプの既知の燃料電池がある。多くの適用における使用に関して実用的と現在考えられている燃料電池の１つのタイプは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を用いる燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、設計するにシンプルでコンパクトな燃料電池を可能にし、これは頑丈であり、室温から違い過ぎない温度にて操作され得、燃料、酸化剤および冷却剤の供給に関する複雑な要求を持たない。
【０００３】
従来の単一の燃料電池は、相対的に低い電圧を発生させる。これ故に、使用可能な量の電力を提供するためには、燃料電池が、単一スタック中に１０、２０、３０および１００さえ、もしくはこれより多い燃料電池を典型的に含有する燃料電池スタック中へ、よく配置される。これが、使用可能な電圧にて、有用な量の電力を発生させることが可能な単一単位を提供する一方で、その設計は複雑であり得、その全てが注意深く組み立てられなくてはならない数多くの要素を包含し得る。
【０００４】
例えば、従来のＰＥＭ燃料電池は、２つのフロー・フィールド・プレート、陽極フロー・フィールド・プレートおよび陰極フロー・フィールド・プレートを要求する。この実際のプロトン交換膜を包含する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、これらの２つのフロー・フィールド・プレート間に提供される。加えて、気体拡散媒体または層（ＧＤＭ／ＧＤＬ）が、各フロー・フィールド・プレートおよび該プロトン交換膜間に挟まれる。該気体拡散媒体は、該プロトン交換膜の表面への、適切な気体（該燃料または該酸化剤）の拡散を可能にすると同時に、この関連したフロー・フィールド・プレートおよび該ＰＥＭ間に、電気伝導性を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このタイプの基本的な電池構造自体は、２つのシールを要求し、各シールは、これらのフロー・フィールド・プレートの内の１つと該ＰＥＭとの間に提供される。更に、これらのシールは、相対的に複雑な配置でなくてはならない。特に、以下に詳細に述べられるように、該燃料電池スタックにおける使用のためのこれらのフロー・フィールド・プレートは、数多くの機能を提供しなくてはならず、複雑なシールのアレンジが、これ故に要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池スタックに関しては、これらのフロー・フィールド・プレートは、フロー・フィールド・プレートのスタックが、これらのフロー・フィールド・プレートに対して鉛直に延びる細長いチャネルを定義するように、いずれかの末端にて、開口部（aperture）または開口部（opening）を典型的に提供する。燃料電池が燃料、酸化剤および冷却剤の流れを要求する場合、これは、合計で少なくとも３組のポート、すなわち６つのポートを典型的に要求する。これは、該燃料および該酸化剤が、各燃料電池を通って流れることが必要だからである。該燃料または酸化剤の殆どが消費されてもよいが、如何なる不純物も該燃料電池を通して連続して勢いよく流される（flush）ことを確実にするように、連続した流れが要求される。
【０００７】
上記のことは、該燃料電池が、冷却剤としての水または同様のものと共に提供される、コンパクトなタイプの配置であることを仮定している。自然の対流または力を加えられた対流に乗って、冷却剤として空気を使用するスタック配置も知られている。このような燃料電池スタックは、該冷却剤用のこれらのスタックを通じての開いたチャネルを典型的に提供し、これ故に、このシールに関する要求は軽減される。一般にそれで、該酸化剤および該燃料用のシールされた供給チャネルを提供することだけが必要である。
【０００８】
続いて、各フロー・フィールド・プレートは、各末端に３つの開口部を典型的に持ち、各開口部は、該燃料、酸化剤または冷却剤の１つのための、入口または出口を表している。完成された燃料電池スタックにおいて、これらの開口部は並んで、この燃料電池スタック全体を通して延びる分布チャネルを形成する。これ故に、これらのシールに関する要求が叶えられるには複雑で難しいことが認められるべきである。しかしながら、該スタック／電池の設計に依っては、各液体用の、該燃料電池への複数の入口および出口を持たせることが可能である。例えば、幾つかの燃料電池は、その陽極、陰極および冷却剤の各々のための２つの入口ポート、該冷却剤用の２つの出口ポート、ならびに該陰極および陽極の各々のための単一の出口ポートを持つ。しかしながら、他の組み合わせも可能である。
【０００９】
該冷却剤は、隣接する個々の燃料電池間を流れるように、各燃料電池の後ろを横切って、最もよく流れる。このことは必須ではないが、結果として、多くの燃料電池スタックの設計が、第２、第３または第４のプレート毎にのみ、冷却チェネルを持っている。これは、より薄いプレートを有するよりコンパクトなスタックを見越したものであるが、このようなアレンジは、満足な冷却よりも劣る冷却を提供することがある。それは、個々の燃料電池の各々の隣接する組の間に、もう１つ別のシールも要求する。これ故に、完成された燃料電池スタックにおいては、各々の個々の燃料電池は、前記膜交換アセンブリをこれらの２つのフロー・フィールド・プレートへとシールするためだけに、２つのシールを要求する。３０の個々の燃料電池を有する燃料電池スタックは、その目的のために６０のシールを要求するであろう。加えて、述べられているように、シールは、燃料電池の各々の隣接する組およびその電流コレクター用の末端シールの間に要求される。３０の電池のスタックに関しては、これ故にこれは、追加の３１のシールを要求する。これ故に、３０の電池のスタックは、母線（バスバー、bus bar）、電流コレクターおよび末端プレート用のシールを除いて、合計９１のシールを要求し、これらの各々は、複雑でより精密な構造であろう。母線、絶縁体プレートおよび末端プレート用に要求される追加のガスケットを用いると、その数は容易に、３０の電池の単一のスタック中において、種々の配置の１００のシールに到達する。
【００１０】
これらのシールは、これらのフロー・フィールド・プレート中のチャネルまたは溝を提供し、それからシールを有効にするためのこれらのチャネルまたは溝中で予め作られたガスケットを提供することにより、形成され得る。既知の配置では、これらのガスケットおよび／またはこれらのシール材料は、特別にポリマー化され処方されて、該燃料電池中の構造の種々の材料との接触に由来する分解に抵抗し、これらの種々の気体および冷却剤は、熱の移動に使用される水性、有機および無機の液体である。これは、燃料電池スタックに関する組み立て技術が複雑であり、時間を浪費するものであろうし、多くのエラー機会を与えることを意味する。
【００１１】
したがって、第１の技術では、エラストマーの射出、トランスファーまたは圧縮成型のような既知の技術によって、該燃料電池の個々の要素から個々に成型されたフロッピー（登録商標）ガスケットシールとして、弾力シールが提供され得る。
【００１２】
このような弾力シールを提供するための第２の技術は、未硬化シール材料を調合し、該未硬化シール材料をシルクスクリーニングし、または予め決められた厚さに、該燃料電池プレート上へ該未硬化シール材料を噴霧し、その後該シール材料を硬化させて所望のエラストマー特性を達成することによる、該燃料電池プレートへの該未硬化シール材料の適用を含む。
【００１３】
弾力シールを提供するための第３の技術はインサート射出成型を含み、ここでは弾力シールはプレート上で作られ、この単位の組み立ては単純化される。この技術によれば、該ガスケットは、前記燃料電池スタック中でのそれの取り扱いおよび組み立てを許容するに充分、該燃料電池プレートに接着される。このようなインサート射出成型されたガスケットは、改善された溝およびシールのプロファイルを伴って設計され、燃料電池スタック内で発生する種々のシール力を最適化し得る。インサート射出成型のための基本的なプロセスは、当業界において既知であり、例えば米国特許第４，８６５，７９３号（１９８９年９月）に言及されてもよい。本明細書中で以降述べられるように、これは、本発明による最も好ましい技術である。
【００１４】
更なる考えとして、このようなシールまたはガスケットの形成または製造は複雑であり、一般には２つしか既知の製造方法はない。この第１の技術に関しては、個々のフロッピー（登録商標）ガスケットシールは、それを適切な型中で成型することにより形成され得る。これは相対的に複雑で高価であり得、各燃料電池の配置に関しては、前記フロー・フィールド・プレート中の関連した溝の形に厳密に対応する型の設計および製造を要求するであろう。これはしかしながら、設計者が各ガスケットまたはシールの断面を選ぶことにおいては自由であり、それが一様な厚さを持っている必要がないという利点を持つ。
【００１５】
もう１つ別の方法は、固体のシートの材料から各ガスケットを切り取ることであろう。これは、より安価で単純な技術が使用され得、ここでは計画の展望において該ガスケットの形を定義すること、およびその配置の切り取りツールを製造することだけが必要であるという利点を持つ。該ガスケットはその後、適切な厚さの１枚のシートの適切な材料から切り取られ得る。その不利な点は、一様な厚さを持つガスケットしか形成し得ないということである。加えて、それは、材料の重大な廃棄へと至る。例えば、各ガスケットにつき、フロー・フィールド・プレートの面積に対応する１部分の材料が使用されるが、このシール自体の表面積は、該フロー・フィールド・プレート面積の内の小さな分画でしかない。
【００１６】
組み立て後の燃料電池スタックはクランプで留められ、これらの要素を安全にし、適切な圧縮が該シール、および該燃料電池スタックの活動領域に適用されることを確実にする。これは、その接触抵抗が最小化され、これらの個々の燃料電池の電気抵抗が最小であることを確実にする。この末端に、燃料電池スタックは２つの末端プレートを典型的に持ち、これらは、圧力下でのそれらのたわみが許容可能な寛容性内であるように、充分頑丈なように配置される。該燃料電池はまた、小さな拾い上げ点まで該燃料電池から電流を集めて濃縮する電流母線を持ち、ここで該電流は、その後コンダクターを経由してその電気消費機器へと移動される。絶縁プレートは、該電流母線および該末端プレートをお互いから熱的および電気的に単離するのにも使用される。複数の細長い桿（棒（材）、ロッド）、ボルトおよび同様のものがその後、該燃料電池スタックが、引張桿によりこれらのプレート間で一緒にクランプで留められ得るように、これらのプレートの組の間で提供される。リベット、ストラップ、ピアノ線、金属プレートおよび他の機構も、スタックを一緒にクランプで留めるのに使用され得る。
【００１７】
該スタックを組み立てるには、該引張桿がこれらのプレートの１つを通じて延び、絶縁体プレート、シールを包含する母線が該末端プレートのトップに置かれ、該燃料電池の個々の要素が、該桿または幾つかの他の位置付けツールにより定義された空間内で組み立てられる。各燃料電池につき、この操作は、（ａ）先行する燃料電池から今回の燃料電池を分け隔てるためにシールを置き；（ｂ）該シール上にフロー・フィールド・プレートを載せ；（ｃ）この第１のフロー・フィールド・プレート上にシールを載せ；（ｄ）該フロー・フィールド・プレート上のシールの範囲内にＧＤＭを置き；（ｅ）該シール上に膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を載せ；（ｆ）該ＭＥＡのトップに追加のＧＤＭを置き；（ｇ）シールを有する更なるフロー・フィールド・プレートを調製し、このアレンジを該膜交換アセンブリのトップに置き、一方同時に、この第２のプレートのシールがこの第２のＧＤＭの周囲に落ちるのを確実にし；（ｈ）その後、この第２の、もしくはより上のフロー・フィールド・プレートを用いて、段階（ａ）におけるようなシールを受けるための溝を持たせる段階を要求する。このプロセスは、最後の燃料電池が形成されると完了され、ここでそれはその後、母線、絶縁体プレート、および最終末端プレートで仕上げられる。
【００１８】
上記に鑑みて、各シールが注意深く置かれなくてはならず、そのインストーラー（installer）が、各シールが充分かつ適切にそれのシール溝中に嵌め込まれるのを確実にしなければならないことが認められる。インストーラーが、適切に載せられないことがあるシールの小さな部分を見過ごすことは、あまりないことではない。これ故に、その冷却剤領域に使用される燃料電池の隣接する組間のシールは、これらの２つのフロー・フィールド・プレートの向かい合っている表面において提供される溝を持っていてもよい。必ず、インストーラーは典型的に、これらの溝の内の１つの中に該シールを位置させることだけが出来、触感または同様のものに依って、該シールが組み立ての間中、他のプレートの溝中に適切に嵌ることを確実にしなくてはならない。この点では、インストーラーが該シールを視覚的に検査して、それが両溝中に適切に設置されることを確実にすることは、実際上不可能である。
【００１９】
これらの個々の電池上へ、直接これらのシールを成型することが可能であり、前記のようにこのことは、より良い寛容性および改善された部分割り当てのような、フロッピー（登録商標）ガスケットシールの使用に比較して、組み立ての間に利点を与え、本発明による技術により更に改善され得る。
【００２０】
これ故に、従来の燃料電池スタックを組み立てることは困難であり、時間を浪費し、しばしばシールの失敗に至る可能性があることが認められるであろう。完成した燃料電池スタックが組み立て終わった後、それは勿論テストされるが、この手順は困難で複雑であり得る。リークが検出された場合でさえ、これは初期には、それ自体を、特定の液体の圧力を維持する該スタックの不能性として単に表すことがあり、該リークが内因性である場合、該リークが特別に起きている場所を精確に位置付けることは、しばしば困難である。にもかかわらず、該燃料電池スタックを補修する唯一の方法は、それを完全に瓦解させて、その欠陥シールを取り替えることである。これは結果的に、他のシールの分断となり、それでこのスタック全体および全ての異なるシールは再度組み立てられなくてはならず、これは、該燃料電池スタック中の数多くのシールの内のいずれか１つの誤配置および失敗を、再び可能にしてしまう。
【００２１】
従来の組み立ておよびシール技術に伴う更なる問題は、該燃料電池スタック全体に適用されるクランプ圧力が、異なり区別出来る２つの機能を供するように意図されることである。これらの機能は、（ｉ）意図されるようにこれらのシールが機能することを確実にするに充分な圧力を提供すること、および（ｉｉ）所望の圧力または圧縮を、前記ＭＥＡ間に挟まれる気体拡散媒体およびこれらの個々のフロー・フィールド・プレートに提供することである。不充分な圧力がこのＧＤＭに適用される場合は、その時は乏しい電気的接触がなされ、一方、該ＧＤＭが過剰に圧縮される場合には、この気体の流れは弱められ得る。
【００２２】
不幸にも、多くの従来の設計では、該燃料電池スタック全体に、既知の全圧を適用することだけが可能である。これ故に、この圧力が、該シールに適用される圧力および該ＧＤＭに適用される圧力の間でどのように分割されるのかを知る方法はない。他のやり方の従来の設計では、適用される圧力におけるこの分割は、該燃料電池スタック中の個々の要素の設計、および適切な寛容性の維持に依存する。例えば、ＧＤＭは一般に、フロー・フィールド・プレートの中央部分にあり、各中央部分の深さが許容可能な寛容性からはみ出して変動する場合、その時はこれは結果的に、不正な圧力が該ＧＤＭに適用されるようになってしまう。この深さは前記の延びたガスケットに依存し得、これは圧縮され、それらのシール特性、耐久性、および該シールの寿命に影響を及ぼす。
【００２３】
これら全ての理由により、従来の燃料電池の製造および組み立ては、時間を浪費する高価な業務であり、既存の組み立て技術は、生産ラインに基づいた燃料電池の如何なる大規模生産にも適さない。これ故に、燃料電池技術は今、世界中で、代替電力供給として、商業用および住居用の市場への適用についての開発下にある。この技術を開発することに関する１つの領域は、これらの個々の燃料電池プレート間に得られるこのシールであった。このような商業用および住居用の市場への適用における使用のために選択される材料は、これらの適用に特異的な種々の製造および機能的な要求に叶わなければならない。典型的に、約２〜２００の燃料電池プレートが、種々の燃料電池プレートを分け隔てるシリコーン・ラバー・シールと一緒にスタックされており、これらの燃料電池プレートは脆性材料から構築されており、これは、溝の技術的なプロファイルの状態内で発生したストレスの集中により、容易に壊れ得る。
【００２４】
［本発明の簡単な要約］
したがって、本発明は、燃料電池プレートにおける円形または楕円形のシール溝のプロファイルに関するものであり、これらのプレートは、特に商業用および住居用の市場への適用のための、燃料電池および燃料電池スタックにおけるストレスの集中を最小化するように開発された。これらの溝のプロファイルは、４角または矩形の配置の溝の技術的なプロファイルの状態を凌駕して、燃料電池プレートの機械的強度を増強することが、予期せず発見された。
【００２５】
インサート射出成型は、これらの燃料電池プレート中のシールを形成するのに使用される好ましい技術である。該インサート射出成型技術を使用することにより得られる利点は、この結果得られるインサート射出成型されたシールが、この燃料電池プレートの溝中で結合され得、シールのない残りの表面を、シールの市場への特殊な適用に依る如何なる形にも出来るようにすることである。これ故に、インサート射出成型されたガスケットシールは、円形または楕円形の溝のプロファイル中で結合され得、燃料電池プレートのより簡単な操作性、および燃料電池スタックのより速い組み立てを可能にする。溝の改善されたプロファイルおよび結合されたシリコーン・ラバー・シールの使用の組み合わせは、燃料電池プレートおよび燃料電池スタックの設計における有意な改善を提供するようなものとして見なされる。
【００２６】
本発明の１つの態様によれば、燃料電池アセンブリが提供され、これは、（ｉ）複数の別個の要素、（ｉｉ）この燃料電池アセンブリを通じて延びている溝または溝のネットワーク、および（ｉｉｉ）インサート射出成型により形成される各溝内のシールまたはガスケットを含み、ここで該シールおよびこれに対応する溝は、燃料電池および燃料電池スタックを操作することにおいて使用される液体を含有するチャンバーを定義するのに使用される別個の２つ以上の要素間により良いシールを提供するように、特定の形のプロファイルを持っている。本発明によるシールまたはガスケットを形成するのに使用されるシール組成物は、以下に詳細に述べられる。これらのシール組成物は、−５５〜２５０℃の範囲の温度における使用に適している。本発明の目的に関し、燃料電池または他の電気化学的電池中で形成されるシールは、「単位シール」構成であるとして言及される。
【００２７】
該シールを形成するのに使用されるシール材料の組成は、好ましくは、ビニル基−ＣＨ＝ＣＨ２のような末端もしくは懸垂位置の不飽和有機基を有する直鎖ポリシロキサンポリマーを含む。該ポリシロキサンは、ポリジメチルシロキサンホモポリマー、ポリメチルトリフルオロプロピルシロキサンホモポリマー、ポリジメチル（メチルトリフルオロプロピル）シロキサンコポリマー、またはこれらの混合物であり得る。メチルトリフルオロプロピルの含量は、炭化水素主体の穏やかもしくは激しい冷却剤が前記燃料電池を操作する時に使用される場合、増強された耐久性および化学耐性を提供するように調整され得る。該組成物は、増量充填剤、水素化白金ケイ素または過酸化物の硬化系、金属酸化物または金属水酸化物のような熱および酸の捕捉剤（スカベンジャー）、および接着促進剤のような、その特異的なポリマー組成に依存する他の添加剤を含有してもよく、これらは、燃料電池の構成に独特な要求のいずれにも、および長寿命での操作用のそれらの要求を叶えるように添加され得る。
【００２８】
本発明の燃料電池および燃料電池スタックは、別個のガスケットを用いる従来の燃料電池および燃料電池スタックの構造を凌駕する、数多くの利点を提供する。第１に、前記燃料電池プレートおよび前記エラストマー・シールにおけるストレスは、より良いシール特性およびより長い寿命を提供する点へと最適化される。第２に、該燃料電池スタックの組み立てが、大きく単純化される。第３に、シール用の溝に関しての寛容性に関しての要求が非常に緩和され得、これは、該シールがガスケットの選ばれた寸法に対応する必要がもはやないからである。これ故に、該シールを形成するのに使用される液体材料が射出され得、該溝およびそれの寸法のプロファイルにおいて、幅広い範囲のバリエーションを補い得る。
【００２９】
硬化されてエラストマー・シール材料を形成することが可能な液体シール材料の使用は、燃料電池プレートの構成中で使用される種々の材料に化学的に結合するように設計された組成物、および燃料電池スタックのその他の要素の使用を可能にし、このことは、該シールの性能を確実にし、向上させる。それは、燃料電池スタックの全体的な耐久性も向上させて然るべきである。該燃料電池スタックの設計が、本発明を用いれば、グリコールのような激しい冷却剤の使用を包含するであろうと認められれば、特定の冷却剤または他の存在する液体と相容れるシール材料を選択することは、単純な事項となる。
【００３０】
関連した利点は、より経済的な構成が提供され得るということである。これ故に、述べられるように、該溝が精確な寸法へと形成されることは必要ない。加えて、ガスケットをシート材料から切り取る場合によく起こるようなガスケット材料の浪費はない。
【００３１】
本発明のもう１つ別の態様は、液体シール材料の準備であり、これは：
（ａ）その分子中に、ケイ素原子に結合した２つ以上のアルケニル基を含有する、１００重量部のポリジ有機シロキサン；
（ｂ）５〜５０重量部の強化充填剤；
（ｃ）４０以上の原子量を有する、アルカリ土類金属の酸化物または水酸化物１〜２０重量部；
（ｄ）その分子中に、ケイ素原子に結合した３つ以上の水素原子を含有する有機水素ポリシロキサンであって、該水素原子は、成分（ｄ）中のケイ素原子に結合した水素原子と成分（ａ）中のケイ素原子に結合したアルケニル基とのモル比が、０．４：１〜５：１の範囲となる量で存在し；
（ｅ）１，０００，０００重量部のポリジ有機シロキサン（ａ）につき０．１〜５００重量部の白金族金属を提供する量で存在する白金金属族触媒；
（ｆ）任意に、成分（ｅ）の存在と共に、または成分（ｅ）の存在なしに存在する、０．１〜５．０重量部の有機過酸化物；
（ｇ）任意に、０．０１〜５．０重量部の阻害剤；
（ｈ）任意に、０〜１００重量部の非強化増量充填剤；および
（ｉ）任意に、０．１〜５．０重量部の接着促進剤
を含有する。
【００３２】
燃料電池に適用可能なことに加えて、本発明は、電気化学的電池に一般に適用可能である。本発明のこれらのおよび他の特徴が、詳細な説明の考慮から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
［本発明の詳細な説明］
装置の第１の実施形態。簡単のために、燃料電池が電池のスタック中に存在し、以下に記載されるもののような一般の設計において対応し、ならびに該燃料電池スタックが、操作単位を提供するのに要求される末端要素およびクランプ要素を包含するであろうことが、理解されるべきである。実施形態１〜３は、本発明の個々の実施形態の不可欠な要素のみを指し示すように意図され、そうでなければ、操作燃料電池スタックは実施形態４〜６に記載される構造に対応するであろうことが、理解されるべきである。実施形態１および２において、膜電極アセンブリは、非常に薄い厚さを持っている。
【００３４】
該装置の第１の実施形態は、陽極双極性プレートおよび陰極双極性プレートを包含する燃料電池を持つ。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が、これらの双極性プレート間に挟まれる。該ＭＥＡをシールするために、これらの双極性プレートの各々は、それぞれの第１の組の溝と共に提供される。このことは、気体用のチャネルを有するフロー・プレートを提供することはよくあることなので、従来の実施からの発展であるが、気体拡散媒体（ＧＤＭ）または同様のものに関しての後退を伴うものではない。最もよくあることには、これらのフロー・プレートの上で投影するシールの厚さは、ＧＤＭを収容するのに充分なスペースを提供する。実施形態１では、しかしながら、これらのフロー・プレートはお互いに直接隣り合うように意図されており、これにより、完成されたＭＥＡに関して備えられたスペース上で、遙かにより良いコントロールを提供し、それで、その圧力が該ＧＤＭに適用される。このことは、ＧＤＭからの、より良くより一様な性能を確実にする。
【００３５】
該ＭＥＡは、３層、すなわち（ｉ）中央のプロトン交換膜層（ＰＥＭ）、および（ｉｉ）該ＰＥＭのいずれかの側で必要な反応を促進するための、該ＰＥＭの両側上の細かく分割された触媒の層を含む。これらの触媒層に隣り合うＰＥＭのいずれかの側上に位置され、適切な電気伝導性を確実にするようにこれらの触媒層に対して圧力をかけられる気体拡散媒体（ＧＤＭ）の２層もあるが、ＧＤＭのこれらの２層は、該ＭＥＡ自体の一部であるとは見なされない。
【００３６】
該陰極双極性プレートは、それに隣接する燃料電池のもう一方の陽極双極性プレートの後面に面し、冷却剤チャネルを定義する後面を持っている。該陰極双極性プレートおよびその上の陽極双極性プレートをシールするために、第２の組の溝が提供される。これらの陽極および陰極双極性プレートは、ＭＥＡを受けるための、および該ＭＥＡのいずれかの側上に位置される気体拡散媒体（ＧＤＭ）のための、チャンバーまたは空洞を定義する。
【００３７】
各組の溝についてガスケットが提供され、該溝は、前記シール材料を受けるための座であり、該シール材料は該溝中へ射出され、それを適切な上昇された温度に付すことにより硬化され、完全なシールまたはガスケットを形成する。これは、予め形成された、またはフロッピー（登録商標）・ガスケットを要求せず、本明細書中で「単位シール」構成物として言及される。本発明による最終的なシールは好ましい形を持ち、流動して不完全な箇所を穴埋めし、これにより、種々の成分における寛容性におけるバリエーションを見越すことが出来る。
【００３８】
以上は、本発明の背後にある基本的な原則を記載するのみであり、完全な燃料電池スタックに関して必須であろう他の要素を示していないことが認められるであろう。例えば、以上は、気体および冷却剤の流れをこれらの燃料電池の個々の１つずつへと提供するためのその他の構造全てを記載するわけではない。しかしながら、前記のシール技術は、実施形態４〜６に取り込まれるように意図されている。
【００３９】
実施形態２は実施形態１に似ているが、前記陰極双極性燃料電池プレートが、１組の溝を該プレートの単一の側のみに含有する。他は、この実施形態は、実施形態１と同一である。これ故に、各溝は、ガスケットを収容するための溝プロファイルを持っているが、実施形態２では、該ガスケットは、１組の直立ビードを持っている。単一の直立ビードまたは３つ以上の直立ビードも、相対する面に対して、該ガスケットのより良いシール機能を提供するために使用され得る。
【００４０】
実施形態３ａ〜３ｄは、種々の設計の溝プロファイルを持っており、これらは実施形態１および２において描かれるタイプの燃料電池プレートを構成するのに使用され得る。実施形態３ａ〜３ｄは各々、１組の直立ビードを有するシール設計を記載する一方、１〜３もしくはより多いこのようなビードが存在してもよいことが明らかであるべきである。
【００４１】
特に、実施形態３ａは、０．００５インチ（０．０１２７ｃｍ）の半径を持つ４角いプロファイルを有する溝中にシール材料を包含する燃料電池プレートの構造を記載する。
【００４２】
実施形態３ｂは、０．０３０インチ（０．０７６２ｃｍ）の半径を持つ４角いプロファイルを有する溝中にシール材料を包含する燃料電池プレートの構造を記載する。
【００４３】
実施形態３ｃは、円形のプロファイルを有する溝中にシール材料を包含する燃料電池プレートの構造を記載する。
【００４４】
実施形態３ｄは、楕円形のプロファイルを有する溝中にシール材料を包含する燃料電池プレートの構造を記載する。
【００４５】
実施形態３ａ〜３ｄは各々、ビードを有するガスケットを収容するための特定の形の異なるプロファイルを持つように１つの溝が描かれる、陽極双極性燃料電池プレートの１部分を表す。これ故に、実施形態３ａにおいては、該シール材料は、０．００５インチ（０．０１２７ｃｍ）の半径上の４角いプロファイルを有する溝中にある。実施形態３ｂにおいては、該シール材料は、０．０３０インチ（０．０７６２ｃｍ）の半径上の４角いプロファイルを有する溝中にある。実施形態３ｃにおいては、該シール材料は、円形のプロファイルを有する溝中にある。実施形態３ｄにおいては、該シール材料は、楕円形のプロファイルを有する溝中にある。好ましいプロファイルは、実施形態３ｃおよび３ｄにおいて記載されるものである。
【００４６】
インサート射出成型は、単位シール型の陽極双極性燃料電池プレートを作製するのに好ましい技術である。前に述べたように、インサート射出成型用のプロセスは、当業界では既知であり、米国特許第４，８６５，７９３号（１９８９年９月）に関して言及されてもよい。該インサート射出成型プロセスにおいては、挿入物、すなわち未硬化シール材料を含有する燃料電池プレートが、成型空洞の１つの側の中へと置かれるかまたは挿入され、該シール材料の外側表面の所望の形へと形を取る形を持つ空洞の成型物のもう１つ別の側またはもう１つ別の半分と接触するようにされる。該インサート射出成型プロセスの間中、該未硬化シール材料は、流れてこれらの溝を埋めるようにされ、該プロセスにおいて、該シール材料は硬化される。これらの成型の半分はその後分離され、この出来上がった燃料電池プレートは、この成型物から除去される。
【００４７】
燃料電池スタックを組み立てる前に前記の種々の要素の表面を洗浄することが、幾つかの例においてはプライマーを適用することが、必要であることがある。洗浄は、洗浄されるべき表面にアセトンを適用することにより実行され得、イソプロピルアルコールの適用を伴い、ここでこれらの表面は、これらの２つの洗浄処理の間に拭き取られる。
【００４８】
プライマーは、該シール材料が、燃料電池において使用される異なる材料のいずれにも、シールのために適切な結合を形成しない場合に、必要であることがある。例えば、燃料電池を構成するのに典型的に使用される幾つかの材料は、チタン、ステンレス鋼、金、グラファイト、複合グラファイト、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリカーボネート、ポリスルホン、熱可塑性プラスチックおよび熱硬化性プラスチック、アルミニウム、テフロン（登録商標）、ならびに高密度ポリエチレンを包含する。該プライマーは、ブラッシング、ローリング、噴霧による適用、または液体組成物としての篩移動により、揮発する溶媒担体を任意に伴って適用され得、あるいは該プライマーは、この適切な表面上へと置かれるか、または浸し塗りされ得る。あるいは、該担体は、特定の成分を作製するのに使用される材料中へ取り込まれ得、それで、該成分または要素の表面特性は変えられて、該シールを形成するのに使用される材料との良い結合を形成する。更なる実施形態では、該プライマーは、前記燃料電池スタック中でこれらのシールを形成するのにそれを使用する前に、該シール材料へ直接加えられ得る。
【００４９】
本明細書中での使用のための適切なプライマーの幾つかの代表例は、米国特許第３，３７７，３０９号（０４／０９／６８）、米国特許第３，６７７，９９８号（０７／１８／７２）、米国特許第３，７９４，５５６号（０２／２６／７４）、米国特許第３，９６０，８００号（０６／０１／７６）、米国特許第４，２６９，９９１号（０５／２６／８１）、米国特許第４，７１９，２６２号（０１／１２／８８）、および米国特許第５，９７３，０６７号（１０／２６／９９）に記載されるような、溶媒中の、反応性の種々のシランおよび／またはシロキサンの希釈溶液を含み、これらの内容が援用される。１つのプライマーは、例えば、ナフサのような炭化水素溶媒中の有機チタン酸、テトラ（メトキシエトキシ）シラン、メチルシロキサン樹脂、酢酸または有機トリアセトキシシランの混合物であるとして、'９９８特許に記載されている。
【００５０】
前記単位シールの適用の間に該シール材料を硬化させるには、硬化温度は、該シール材料用のある成分を選択することにより決定され得る。硬化温度は、典型的には３０℃〜２００℃であり、該硬化温度は、該燃料電池スタック中に存在する該燃料電池、該燃料電池プレート、または他の基板の材料と相容れるものでなくてはならない。
【００５１】
今から、燃料電池スタックの基本的な要素を含有する燃料電池スタックを記載する実施形態４〜６に関しての言及がなされる。これ故に、燃料電池スタックは、陽極末端プレートおよび陰極末端プレートを包含する。これらの末端プレートは各々、前記の必要な液体の供給用の接続ポートと共に提供される。空気接続ポート、冷却剤接続ポート、および水素接続ポートも、該燃料電池スタックの他の要素を構成するものとして、同定される。対応する冷却剤および水素ポートが、該燃料電池スタックの陽極側に包含されることが、理解されるべきである。これらの種々のポートは、該燃料電池スタックを通り抜けて延びる分布チャネルまたはダクトに、今度は接続される。これらのポートは組で提供され、該燃料電池スタックをずっと通って延び、該燃料電池スタックの、燃料電池の商業的実施形態の操作に必要なその他の備品の種々の要素への接続を可能にする。この特徴は、数多くの該燃料電池スタックが一緒に接続されることも可能にする。
【００５２】
陽極および陰極末端プレートに直ぐに隣接して、絶縁体がある。これらの絶縁体に直ぐに隣接して、陽極電流コレクターおよび陰極電流コレクターがある。これらの電流コレクターの間に、複数の燃料電池プレートがある。これ故に、実施形態５において、陽極フロー・フィールド・プレート、第１もしくは陽極気体拡散層もしくは媒体、ＭＥＡ、第２もしくは陰極気体拡散層、および陰極フロー・フィールド・プレートが記載されている。このアセンブリを一緒に保つために、結び付けるための桿が該陽極末端プレート中のねじ込み孔中へとねじ込まれ、該陰極末端プレート中の対応する平らな孔を通過する。ファスナーが該アセンブリ全体をタイトにするために、およびこれらの個々の燃料電池の種々の要素が一緒にクランプされることを確実にするために、提供される。このように、燃料電池スタックおよびアセンブリの他の要素が、大いに従来のものであり得、詳細には記載されないことが理解されるべきである。実施形態５では、もし望まれる場合には、閉鎖プラグが提供され、溝の系と繋がっていてもよい導管へのアクセスを限定することが出来る。
【００５３】
硬化および組み立てに引き続いて、該燃料電池スタックは、所望の電気的および液体特性に関してチェックするために、特にそれを通って流れる該液体のいずれに関してもリークがないことに関してチェックするために、電池試験に付される。もし如何なるリークでも検出された場合には、該燃料電池は修繕されるであろうし、該リークの性質および個々の燃料電池スタックの設計の詳細に依存して、１つのシールまで該アセンブリ全体を簡単に分離し、この欠陥シールを取り除き、新しいシールを形成することが可能であることがある。この理由により、相対的に小さな燃料電池スタックを製造することを望むことが可能になることがある。このことが、より多くのスタック間接続を要求する一方、各々の個々の燃料電池スタックの固有の頑丈さまたは信頼性により補償されるよりも多いであろう。この概念は、膜電極単位（ＭＥＵ）のような単一の燃料電池単位にまでずっと下って適用され得、このことはその後、如何なる長さの製造されるべき燃料電池スタックをも見越すものであろう。
【００５４】
該ＭＥＵは、数多くのＭＥＵが一緒にクランプされて、如何なる所望の容量の完全な燃料電池スタックを形成出来るようにも、好ましくは形成される。これ故に、典型的なＭＥＵは、単純にフロー・フィールド・プレートを持ち、これらの外側または後側の面は、他のＭＥＵの対応する面と合うように適応され、必要な機能を提供するであろう。典型的には、該ＭＥＵの面は、該燃料電池を冷却するための冷却剤チャンバーを形成するように適応される。該ＭＥＵの１つの外側の面は、それと共に機能されるシールまたはガスケットを持つことが出来、この外側の面は、もう一方のＭＥＵ上で予め形成されたシールを受けるように、平面上または溝状であり得る。この外側シールまたはガスケットは、内部シールの形成と同時に、単位シールとして形成され得る。このことは、幅広いバリエーションの燃料電池スタックが、単一の基本的な単位またはＭＥＵから配置されるようにすることを可能にする。該ＭＥＵは、単一の燃料電池、またはより小さな数、例えば５つの燃料電池を含むことが出来る。これ故に、完成された燃料電池スタックでは、失敗したＭＥＵを置き換えることの方が、相対的に簡単であろう。再組み立ては、適切なシールが隣接ＭＥＵ間で形成されること、および各ＭＥＵ内のシールが、この手続きにより壊れないことのみを要求するであろう。
【００５５】
実施形態１は、溝のネットワークが、前記プレートの両側上の要素または成分中に存在する場合の実施形態を例示していることが、述べられるべきである。実施形態２において記載されるように、このことはいつも必要なわけではないことが、認められるであろう。これ故に、幾つかの目的、例えば冷却剤用のチャンバーを定義することについては、寛容性がより決定的ではないように平面状である向かい合っている面を有する１つのフロー・プレート中に、これらの溝を提供することが充分であることがある。本発明はまた、これらのフロー・フィールド・プレートの末端へと延びるＭＥＡを示すように記載されてきた。しかしながら、ＭＥＡの材料は高価であり、それで、必ず薄く、典型的には１インチの１〜２，０００の尺度の桁でなくてはならない。これ故に、幾つかの適用に関しては、一緒に結合され、ＰＥＭ自体の周辺をオーバーラップする周縁またはマウント層を提供することが、好ましいであろう。該周縁は、その時は２層から形成され得、各々は、１インチの１〜２，０００の厚さであり、合計の厚さに関しては、１インチの２〜４，０００である。これは、前記シールでシールされた周縁または層である。
【００５６】
本発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の観点から記載されて来たが、本発明は、如何なるタイプの燃料電池にも適用可能であることが、認められるべきである。これ故に、本発明の概念は、アルカリ電解質を有する燃料電池、リン酸電解質を有する燃料電池、高温燃料電池、例えば、プロトン交換膜に似た膜を有するが、約２００℃にて操作されるように適応された燃料電池、電気分解装置、再生燃料電池、および他の電気化学的電池に適用され得る。該概念は、前記シール材料がこのような条件下に適切であれば、溶融カーボネートおよび固体酸化物燃料のような、より高温の燃料電池にも適用され得る。
【００５７】
本発明による使用のためのエラストマーシール材料は、エラストマー状態へと硬化可能な有機シロキサン組成物であり、これは、それらの未硬化状態にてポンプ可能な粘度を持ち、該組成物が燃料電池の空洞内の系中で硬化されるようにし、前記のように、区別出来る領域中に、これらの種々のシールを提供する。これらのエラストマーシール材料組成物は、好ましくは、
（ａ）その分子中に、ケイ素原子に結合した２つ以上のアルケニル基を含有する、１００重量部のポリジ有機シロキサン；
（ｂ）５〜５０重量部の強化充填剤；
（ｃ）４０以上の原子量を有する、アルカリ土類金属の酸化物または水酸化物１〜２０重量部；
（ｄ）その分子中に、ケイ素原子に結合した３つ以上の水素原子を含有する有機水素シロキサンであって、該水素原子は、成分（ｄ）中のケイ素原子に結合した水素と成分（ａ）中のケイ素原子に結合したアルケニル基とのモル比が、０．４：１〜５：１となる量で存在し；
（ｅ）１，０００，０００重量部のポリジ有機シロキサン（ａ）につき０．１〜５００重量部の白金族金属を提供するような量で存在する白金金属族触媒；
（ｆ）任意に、成分（ｅ）と共に、または成分（ｅ）なしに存在する、０．１〜５．０重量部の有機過酸化物；
（ｇ）任意に、０．０１〜５．０重量部の阻害剤；
（ｈ）任意に、０〜１００重量部の非強化増量充填剤；および
（ｉ）任意に、０．１〜５．０重量部の接着促進剤
を含有する。
【００５８】
［成分Ａ−ポリジ有機シロキサン］
該ポリジ有機シロキサンは、２５℃にて、０．０３〜１００Ｐａ・ｓ未満の範囲内の粘度を持っていてもよい。それは、式Ｘ（Ｒ１Ｒ２ＳｉＯ）ｎＸにより表され得、式中、Ｒ１およびＲ２は、同一または異なる１価の置換または無置換の炭化水素基を表し；ｎは、この所望の粘度を提供するために選択され得る該ポリマー中の繰り返し単位の平均数であり；およびＸは、エチレン性不飽和炭化水素基を含む末端基である。これ故に、該エラストマーシール材料組成物が、有機水素シロキサンまたはビニル特異的過酸化物を用いるヒドロシリル化により硬化される場合は、Ｘは、典型的にはビニルまたはもう１つ別のアルケニル基である。
【００５９】
Ｒ１およびＲ２により表される炭化水素基は、メチル、エチル、および第３級ブチルのような、１〜２０炭素原子を有するアルキル基；ビニル、アリル、および５−ヘキセニルのような、１〜２０炭素原子を有するアルケニル基；シクロペンチルおよびシクロヘキシルのような、３〜２０炭素原子を有するシクロアルキル基；ならびに、フェニル、ベンジル、およびトリルのような芳香族炭化水素基を包含する。Ｒ１およびＲ２は、ハロゲン、アルコキシ、またはシアノ基で置換され得る。好ましい炭化水素基は、１〜４炭素原子を含有するアルキル基、フェニル、および３，３，３−トリフルオロプロピルのようなハロゲン置換アルキル基である。最も好ましくは、Ｒ１はメチル基であり、Ｒ２はメチル、フェニル、または３，３，３−トリフルオロプロピル基の内の少なくとも１つであり、Ｘはメチルまたはビニル基である。任意に、１つ以上のＲ２基はアルケニル基であり得る。好ましいポリジ有機シロキサンは、０．３〜１００Ｐａ・ｓ未満の範囲内の粘度を持つジメチルビニルシロキシ末端封鎖ポリジメチルシロキサンである。
【００６０】
該ポリジ有機シロキサンは、ホモポリマー、コポリマー、あるいは２つ以上の異なるホモポリマーおよび／またはコポリマーを含有する混合物であり得る。該エラストマーシール材料組成物が、ヒドロシリル化により硬化される場合、少なくとも一部分の該ポリジ有機シロキサンは、Ｘがアルケニル基を表し、非末端ケイ素原子上の一部分のＲ２基がビニルまたはヘキセニルのようなエチレン性不飽和基を任意に含み得るコポリマーであり得る。
【００６１】
１分子につき３または４シロキサン単位を含有する環状ポリジ有機シロキサンの、酸または塩基触媒ポリマー化のような、このようなポリジ有機シロキサンを調製する方法は、当業界において既知である。もう１つ別の方法は、該環状ポリジ有機シロキサンを、対応するジ有機ジハロシラン（単数または複数）および酸受容体で置き換えることを含む。このようなポリマー化は、所望の粘度および分子量のポリマーを与える条件下に遂行される。
【００６２】
［成分Ｂ−強化充填剤］
本発明において使用される強化シリカ充填剤のタイプは決定的なものではなく、当業界では既知の如何なる強化シリカ充填剤でもありえる。これ故に、それは、１グラム当たり少なくとも５０平方メートルの表面積（Ｍ２／ｇ）を有する沈降または発熱シリカであり得る。より好ましくは、１５０〜５００Ｍ２／ｇの範囲内の表面積を持つ沈降または発熱シリカである。最も好ましい強化シリカ充填剤は、３７０〜４２０Ｍ２／ｇの表面積を有する発熱シリカである。発熱シリカ充填剤は、米国特許第２，６１４，９０６号（１９５２年１０月）および米国特許第３，０４３，６６０号（１９６２年７月）に記載されるように、テトラクロロシランまたはトリクロロシランのようなシランを燃やすことにより生産され得る。これらの充填剤は、望まれる場合には、有機シランまたは有機ポリシロキサンで処理され得る。該エラストマーシール材料組成物において使用されるこの成分の量は、使用される無機充填剤のタイプに依存するであろう。典型的には、それは成分（Ａ）１００重量部につき５〜５０重量部の範囲中の量で存在する。
【００６３】
［成分Ｃ−アルカリ土類金属の酸化物または水酸化物］
４０以上の原子量を有するアルカリ土類金属の酸化物または水酸化物は、該エラストマーシール材料組成物の特徴成分の１つである。それは、該エラストマーシール材料組成物の硬化製品が、前記ＰＥＭにより悪化されないことを確実にするために包含される。アルカリ土類金属の酸化物および水酸化物の幾つかの代表例は、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムの酸化物および水酸化物を包含する。これらの材料は単独で、またはいずれか２つ以上の混合物として使用され得る。また、それらは、該エラストマーシール材料組成物中での効果的な分散を確実にするように、細かい粉末の形態で使用されてもよい。最も好ましいのは、水酸化カルシウムおよび酸化カルシウムである。この成分は、成分（Ａ）１００重量部につき１〜２０重量部、好ましくは６〜１２重量部の量で使用される。
【００６４】
［成分Ｄ−有機水素シロキサン］
その分子中に、ケイ素に結合した３つ以上の水素原子を有する該有機水素シロキサンは、架橋剤として機能する。使用され得る適切な有機水素シロキサンの幾つかの代表例は、各末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたメチル水素ポリシロキサン、各末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたジメチルシロキサン／メチル水素シロキサンコポリマー、各末端がジメチルフェニルシロキシ基で封鎖されたメチルフェニルシロキサン／メチル水素シロキサンコポリマー、環状メチル水素ポリシロキサン、ならびにジメチル水素シロキシ単位およびＳｉＯ４／２単位で作られたコポリマーを包含する。各末端がジメチル水素基で封鎖されたメチルトリフルオロプロピルメチル水素シロキサンコポリマーのようなフルオロシリコーン架橋剤、特に５０モル％より多いメチルトリフルオロプロピルを含有するものも、使用され得る。該有機水素シロキサンは、それの中のケイ素に結合した水素原子と成分（Ａ）中のケイ素に結合したアルケニル基とのモル比が０．４：１〜５：１の範囲にあることを確実にする量で、該エラストマーシール材料組成物中に存在すべきであり、さもなくば、良い硬化特性を得るのは難しい。
【００６５】
［成分Ｅ−白金VIII族触媒］
白金族触媒は、該エラストマーシール材料組成物を硬化させるに最も好ましい触媒である。代表的な適切な触媒は、細かい白金粉、白金黒、塩化白金酸、四塩化白金、塩化白金酸のオレフィン錯体、塩化白金酸のアルコール溶液、塩化白金酸およびアルケニルシロキサンの錯体を包含する。白金の代わりに、ロジウムまたはパラジウムのような他のVIII族金属を含有する触媒も、用いられ得る。該白金族触媒の量は、成分（Ａ）１，０００，０００重量部につき０．１〜５００重量部の白金族金属原子を提供するに充分であるべきである。この量が０．１部未満の場合には、この硬化反応は完結へと向かって進まないことがあり、一方で、この量が５００部より多い場合には、コスト面で効果的ではない。
【００６６】
成分（Ｅ）は、０．０１重量％以上の白金族金属原子を含有する熱可塑性樹脂で作られる球形状の細かい粒の触媒の形態で使用され得る。しかしながら、これらのタイプの白金族触媒が、前記成型温度にて該エラストマーシール材料組成物中へ素速く分散することを確実にするためには、該熱可塑性樹脂の軟化点が、５０〜１５０℃の範囲中にあるべきである。加えて、この球形状の細かい粒の触媒の平均の粒の大きさは、０．０１〜１０ミクロンの範囲中であるべきである。被包される適切な触媒の幾つかの例は、米国特許第４，７６６，１７６号（０８／２３／８８）；米国特許第４，７８４，８７９号（１１／１５／８８）；米国特許第４，８７４，６６７号（１０／１７／８９）；および米国特許第５，０７７，２４９号（１２／３１／９１）に記載されており、これらの内容が援用される。
【００６７】
［成分Ｆ−有機過酸化物硬化剤］
成分Ｆは、硬化シリコーンエラストマーを形成するにおいて助けとなる有機過酸化物硬化剤である。好ましくは、該有機過酸化物はビニル特異的であり、これは、前記ポリジ有機シロキサン中において、ビニル基または他のエチレン性不飽和炭化水素置換基の存在を要求する。硬化可能な該エラストマーシール材料組成物において硬化剤として有用なビニル特異的過酸化物は、２，５−ビス（第３級ブチルペルオキシ）−２，３−ジメチルヘキサンのような、アルキル過酸化物を包含する。該有機過酸化物もまた、非ビニル特異的として言及されるタイプであり得、これは如何なるタイプの炭化水素基とも反応して、フリー・ラジカルを生成する。
【００６８】
［任意成分Ｇ−阻害剤］
阻害剤は、該エラストマーシール材料組成物が適切な作動寿命を持ち、必要とされてもよいようなそれの加工に備えるように、存在し得る。それらは、３，５−ジメチル−１−ヘキシン−３−オール、１−エチニル−１−シクロヘキサノール、およびフェニルブチノールのようなアルキンアルコール；３−メチル−３−ペンテン−１−インおよび３，５−ジメチル−３−ヘキセン−１−インのようなエン−イン化合物；テトラメチルテトラヘキセニルシクロテトラシロキサン；ならびにベンゾトリアゾールにより、例示される。
【００６９】
［任意成分Ｈ−非強化増量充填剤］
幾つかの好ましい非強化増量充填剤は、石英粉、珪藻土、酸化鉄、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、または炭酸マグネシウムを包含する。
【００７０】
［任意成分Ｉ−接着促進剤］
本明細書中での使用に適切な幾つかの接着促進剤は、米国特許第４０８２７２６号（１９７８年４月４日）、米国特許第４０８７５８５号（１９７８年５月２日）、米国特許第４７３２９３２号（１９８８年３月２２日）、米国特許第５７８９０８４号（１９９８年８月４日）、および米国特許第６１２４４０７号（２０００年９月２６日）に記載されている。このような接着促進剤は、１つ以上のエポキシ基を含有するシランおよびシロキサンのような有機ケイ素化合物を、一般に含む。このタイプの組成物は、該エラストマーシール材料組成物の重量に基づいて０．１〜２０重量部、好ましくは０．１〜５．０重量部の該接着促進剤の量で、典型的に使用される。該接着促進剤は一般に、該エラストマーシール材料組成物が硬化される前に、該エラストマーシール材料組成物に加えられる。
【００７１】
他の任意成分もまた、該エラストマーシール材料組成物中に存在出来、耐熱剤、難燃剤、および色素を包含する。前記のように、増量充填剤、水素化白金ケイ素および過酸化物のような硬化系、金属酸化物または水酸化物のような熱および酸捕捉剤の種々の組み合わせも包含され得、これらの内のいずれもが該エラストマーシール材料組成物に加えられ得、燃料電池の構成に独特な如何なる要求をも、操作の長寿命を保証するための操作に関するそれらの要求を叶える。
【００７２】
本発明のエラストマーシール材料組成物は、これらの種々の要件および任意成分を一様に配合することにより、容易に製造され得る。配合は、ニーダーミキサー、加圧ニーダーミキサー、Ｒｏｓｓ（商標）ミキサー、または他の配合装置により、実行され得る。該エラストマーシール材料組成物はまた、製造を容易にするため、および作業性を改善するためのそれらの使用直前に配合される２つ以上の液体として調製され得る。
【実施例】
【００７３】
以下の実施例が、より詳細に本発明を例示するために説明される。特に、該エラストマーシール材料組成物の詳細が、付属の実施例に示される。これらの実施例において、部は重量部のことを言い、粘度は２５℃での値を言う。表ＩＶおよびＶＩＩ〜ＩＸにおいて、これらの試験は引用されたＡＳＴＭ法に基づくものであった。
【００７４】
【表１】
0004511834.tif 000002
【００７５】
［実施例１］
５５，０００ｃｐ（５５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン１００部；４１ｃｐ（０．０４１Ｐａ．ｓ）の粘度を持つヒドロキシ末端ジメチルシロキサン３部；５μの平均の粒子の大きさを有する石英シリカ４０部；およびヘキサメチルジシラザン１３部およびテトラメチルジビニルジシラザン０．４部で処理された、４００ｍ２／ｇ表面の平均表面積を有する発煙シリカ４０部が、均一になるまで配合された。配合後、この材料は真空下に加熱処理され、アンモニアおよび如何なる痕跡量の揮発分をも除いた。この組成物は、付属の実施例、すなわち表ＩＩおよびＩＩＩにおいて言及され使用される基本材料を形成する。それは、流動可能であり、９０ｐｓｉｇ（７．２１４×１０５Ｐａ）の圧力下に３０ｇ／分の速度にて１／８”開口部（orifice）を通じて押し出され得る、貯蔵に安定なペーストである。
【００７６】
【表２】
0004511834.tif 000003
【００７７】
前記で調製され、表１に示されるシリコーン主体の材料１００部；５５，０００ｃｐ（５５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ジメチルポリシロキサン５６部；３５０ｃｐ（０．３５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ジメチルメチルビニルポリシロキサン３４部；０．１％未満の硫黄含量を有する９９％純粋な水酸化カルシウム１２部；および０．５２重量％に等しい量の白金族金属原子を含有する１，３−ジエテニル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン白金錯体０．７部が、均一になるまで配合された。この材料は、２３℃にて１２８，０００ｃｐ（１２８Ｐａ．ｓ）の粘度を有する流動可能な液体であった。
【００７８】
【表３】
0004511834.tif 000004
【００７９】
前記の表Ｉ〜ＩＩＩにおいて言及されたシリコーン主体の材料１００部；５５，０００ｃｐ（５５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ジメチルポリシロキサン５５部；３５０ｃｐ（０．３５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ジメチルメチルビニルポリシロキサン３４部；ケイ素原子に結合した水素０．９６重量％を含有し、２５ｃｐ（０．０２５Ｐａ．ｓ）の粘度を持つ、ジメチル水素シロキシ修飾シロキサン樹脂５部；および、阻害剤としての９９％純粋な１−エチニル−１−シクロヘキサノール０．２部が、均一になるまで配合された。この材料は、８４，０００ｃｐ（８４Ｐａ．ｓ）の粘度を有する流動可能な液体であった。組成物ＡおよびＢが、５０：５０の比で混合され、１５０℃にて５分間加圧成型され、表ＩＶに示される特徴を呈した。
【００８０】
【表４】
0004511834.tif 000005
【００８１】
燃料電池用のガスケット材料として使用されるエラストマーシール材料組成物は、燃料電池成分および液体に接触する場合に、分解に対して耐性でなくてはならない。前記ＰＥＭの操作環境に対しての耐性、および冷却剤または反応剤気体として使用されてもよい種々の液体中での膨潤に対しての耐性が、特に重要である。幾つかの方法が、ＰＥＭ操作環境に対しての耐性を決定するのに使用され得る。例えば、予定のシール材料のシートは、該ＰＥＭ材料のシートに接触して置かれ、タイトにロールされ、適切なバンドを有する位置に保たれ得る。これらのロールはその後、酸性の液体および加熱された脱イオン化（ＤＩ）水中に置かれ、加速された経時試験を提供する。該試験は、１００℃へと加熱されたＤＩ水で完了される。この試験を使用して、本発明によるエラストマーシール材料組成物は、このような条件下での８ヶ月の曝露後に、固くなったり、またはひび割れたりしないことが決定された。
【００８２】
追加的な要求は、シール材料が、該燃料電池中で使用される冷却剤と接触する場合に、過剰に膨潤しないことである。室温または上昇された温度での体積の膨潤を決定する適切な方法は、本発明によるエラストマーシール材料組成物に関しては完成されており；８２℃にて７２時間測定された１％未満の体積の膨潤が、ＤＩ水、エチレングリコール／水溶液、およびプロピレングリコール／水溶液中の該組成物に関して観察された。
【００８３】
インサート射出成型により、燃料電池スタックの種々のプレートおよび成分を調製した後、ここでは実施形態５に記載された燃料電池スタックに関して言及されてもよい以下の手順を使用して、燃料電池の要素のスタックが組み立てられた。
１．陽極末端プレートが、そのシールを上に向けて、水平表面上に平らに置かれた。
２．絶縁体プレートが該陽極末端プレート上に置かれ、一方で、各プレートがお互いに整列するような位置に、該プレートを位置させた。
３．陽極母線プレートが、該絶縁体プレート上に置かれ、一方で、各プレートがお互いに整列するように、該プレートを位置させた。
４．陽極双極性フロー・フィールド・プレートが、その活性領域を上に向けて該絶縁体プレート上に置かれ、一方で、各プレートのシールを整列させた。
５．ＧＤＬ層が、縮まった表面活性領域中でフィットするように切り取られ、該陽極双極性フロー・フィールド・プレート上に置かれた。
６．ＰＥＭ層が、該陽極双極性フロー・フィールド・プレートおよび該ＧＤＬ上に置かれた。
７．ＧＤＬ層が、縮まった表面活性領域中でフィットするように切り取られ、陰極双極性フロー・フィールド・プレート上に置かれた。
８．該陰極双極性フロー・フィールド・プレートが、その活性領域を下に向けて、そのアセンブリ上に置かれた。
９．陰極母線プレートが該アセンブリ上に置かれ、一方で、該シールが整列されるように、該プレートを位置させた。
１０．絶縁体プレートが、該アセンブリ上に置かれ、一方で、各プレート上のシールがお互いに整列するように、該プレートを位置させた。
１１．該陰極末端プレートが、そのシール溝セグメントを下に向けて、水平面上に平らに置かれた。
１２．周界ボルトタイプの結び付けるための桿が、該陰極末端プレートを通って挿入され、該陽極末端プレート中へねじ込むように延びた。
１３．該周界ボルトがタイトにされ、段階１〜１１の種々の組み立て要素のクランプの平等な分布を提供した。
【００８４】
［実施例２］
３つの追加の実施例が調製され、これらの追加の例示組成物は、燃料電池プレート単位シール用のシール材料として使用された。該プレートは、インサート射出成型により調製されて硬化され、燃料電池スタックのプレートおよび成分は、前記実施例１の手順にしたがってアレンジされた。単純で簡潔にするために、この組み立ておよびインサート射出成型技術は繰り返されず、これらの組成物の詳細だけが、以下に示される。
【００８５】
【表５】
0004511834.tif 000006
【００８６】
メチルトリフルオロプロピル３０モル％を含有し、９，３００ｃｓｔ（９３×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン１００部；４０ｃｓｔ（０．４×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つ、ヒドロキシ末端ジメチルメチルビニルシロキサン１部；ならびに、２５０ｍ２／ｇの平均表面積およびヘキサメチルジシラザン６．６部で処理された表面を持つ発煙シリカ３９部が、均一になるまで配合された。配合後、この材料は真空下に加熱処理され、如何なる揮発性成分をも除いた。これは、シリコーン主体の材料を形成した。このシリコーン主体の材料は、メチルトリフルオロプロピル３０モル％を含有し６８０ｃｓｔ（６．８×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン１１部；２５ｃｓｔ（０．２５×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つデカメチルシクロペンタシロキサン２．９部；および０．５２重量％に等しい量の白金族金属原子を含有する１，３−ジエテニル−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン白金錯体５部で希釈された。この組成物は、均一になるまで配合された。それは、９０ｐｓｉｇ（７．２１４×１０５Ｐａ）の圧力下に１８６．９ｇ／分の速度にて１／８”開口部を通じて押し出され得る、流動可能なペーストであった。
【００８７】
【表６】
0004511834.tif 000007
【００８８】
メチルトリフルオロプロピル３０モル％、および９，３００ｃｓｔ（９３×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つ、ジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン１００部；４０ｃｓｔ（０．４×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を持つ、ヒドロキシ末端ジメチルメチルビニルシロキサン１部；ならびに、２５０ｍ２／ｇの平均表面積およびヘキサメチルジシラザン６．４部で処理された表面を持つ発煙シリカ３８部が、均一になるまで配合された。配合後、この材料は真空下に加熱処理され、如何なる揮発性成分をも除いた。これは、前記のシリコーン主体の材料として使用された。このシリコーン主体の材料は、メチルトリフルオロプロピル３０モル％、および６８０ｃｓｔ（６．８×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を含有する、ジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン１０部；ケイ素原子に結合した水素０．９６重量％、および２５ｃｐ（０．２５×１０−４ｍ２ｓ−１）の粘度を含有する、ジメチル水素シロキシ修飾シリカ３８部；および、前記阻害剤として９９％純粋な１−エチニル−１−シクロヘキサノール０．２部で希釈された。この組成物は、均一になるまで配合された。この材料は、９０ｐｓｉｇ（７．２１４×１０５Ｐａ）の圧力下に２５９．５ｇ／分の速度にて１／８”開口部を通じて押し出され得る、流動可能なペーストであった。
【００８９】
シリコーン材料ＡおよびＢは、５０：５０の比で混合され、１７１℃にて５分間加圧成型され、２００℃にて４時間、後硬化された。この組成物は、表ＶＩＩにおいて以下に示される特徴を呈した。
【００９０】
【表７】
0004511834.tif 000008
【００９１】
［実施例３］
実施例２が、シリコーン材料ＡおよびＢ中で使用されるジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン中のメチルトリフルオロプロピルのモル％が４０モル％であり、それの粘度が２５，０００センチストーク（２５０×１０−４ｍ２ｓ−１）であることを除き繰り返され；シリコーン材料ＡおよびＢにおける希釈剤として使用されるジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン中のメチルトリフルオロプロピルのモル％が４０モル％であり、その粘度が７５０であり；これらの押出速度はそれぞれ、１８４ｇ／分および２２５ｇ／分であった。この組成物は、表ＶＩＩにおいて以下に示される特徴を呈した。
【００９２】
【表８】
0004511834.tif 000009
【００９３】
実施例１中で詳細に説明された加速経時試験に従った１ヶ月の曝露後に、この材料は固くされたり、またはひび割れたりしなかった。
【００９４】
［実施例４］
実施例２が、シリコーン材料ＡおよびＢ中で使用されるジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン中のメチルトリフルオロプロピルのモル％が７０モル％であり、それの粘度が２０，０００センチストーク（２００×１０−４ｍ２ｓ−１）であることを除き繰り返され；シリコーン材料ＡおよびＢにおける希釈剤として使用されるジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン中のメチルトリフルオロプロピルのモル％が７０モル％であり、それの粘度が１５００であり；これらの押出速度はそれぞれ、１３６ｇ／分および１８９ｇ／分であった。この組成物は、表ＩＸにおいて以下に示される特徴を呈した。
【００９５】
【表９】
0004511834.tif 000010
【００９６】
実施例１中で詳細に説明された加速経時試験に従った１ヶ月の曝露後に、この材料は固くされたり、またはひび割れたりしなかった。
【００９７】
［実施例５］
前記の実施例において記載されたタイプのシール材料は、プレート構造が４角、円形または楕円形を持つ溝プロファイルを包含する燃料電池装置において使用され得る。しかしながら、当業界の標準および状況である有限要素分析コンピュータ技術を使用して遂行された試験において、ここでは決定されるパラメータは、主なストレスおよび歪み、von MISES、ならびに静水成分を包含し、最も適切な溝プロファイルは円形または楕円形であることが見出された。これ故に、表Ｘでは、円形プロファイルまたは楕円形プロファイルを有する溝が、６０％を超える最大ストレスにおいて抑制を提供した。有限要素分析（ＦＥＡ）は、更なる負荷に対しての物理的系の応答を予測することが可能な、コンピュータ支援技術である。
【００９８】
【表１０】
0004511834.tif 000011
【００９９】
本発明の必須の特徴から逸脱せずに、本明細書中で記載された化合物、組成物および方法において、他のバリエーションが作られてもよい。本明細書中で特に例示された本発明の実施形態は例示的なだけであり、添付の請求項において定義されるようなものを除いて、それらの範囲に関しての限定としては意図されない。